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1. DE102019216129 - Sensor mit verstärkter Membran zur Konzentrationsmessung eines Analysefluids

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]
Beschreibung  

[0001]  Die Erfindung betrifft ein Sensor zum Messen einer Konzentration eines Analysefluids basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip, mit mindestens einem auf einer Messmembran angeordneten Analyseheizelement zum Erwärmen des Analysefluids, mit einem auf einer Referenzmembran angeordneten Referenzheizelement zum Erwärmen mindestens eines Referenzgases. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Sensors.

Stand der Technik 

[0002]  Bei Gassensoren, die nach resistiven Messprinzipien arbeiten, beeinflusst das zu messende Gas oder Gasgemisch direkt die Leitfähigkeit eines gasempfindlichen Sensorelementes. Diese Widerstandsänderung dient als Messgröße für eine Konzentration des Gases oder Gasgemisches. Das gasempfindliche Sensorelement kann hierbei eine Sensorschicht oder ein Heizelement sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Heizelemente in Form von Platinheizern auf einer Membran angeordnet sein. Die Erwärmung der Heizelemente und oder Sensorelemente hängt dabei von der thermischen Leitfähigkeit des umgebenden Gases bzw. Gasgemisches ab. Diese Heizelemente können mit konstantem Strom oder mit konstanter Leistung betrieben werden und wärmer als eine Umgebungstemperatur sein.

[0003]  Es kann beispielsweise zur Messung einer Wasserstoffkonzentration die bessere thermische Leitfähigkeit von Wasserstoff von 1810µW/cmK gegenüber der thermischen Leitfähigkeit von Luft von 260µW/cmK ausgenutzt werden. Befindet sich in der Umgebung des Heizelementes Wasserstoff, so sinkt auf Grund der höheren thermischen Leitfähigkeit des Wasserstoffs und damit einhergehend einer größeren Wärmeableitung, die Temperatur des Heizelementes und somit reduziert sich dessen Widerstand. Diese Widerstandsänderung bzw. die zusätzliche Heizleistung, die aufgebracht werden muss, um das Heizelement auf konstanter Temperatur zu halten, ist proportional zur Konzentration des Wasserstoffs. Da die thermische Wärmeleitfähigkeit von der Umgebungstemperatur abhängt, kann beispielsweise mittels eines weiteren Temperatursensors die Umgebungstemperatur gemessen werden.

[0004]  Problematisch ist jedoch der Einsatz derartiger Sensoren bei höheren Drücken des Analysegases, wie beispielsweise bei mehr als 500 mbar Überdruck, da die Messmembran sich verformen und brechen kann.

Offenbarung der Erfindung 

[0005]  Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, einen Sensor vorzuschlagen, welcher bei einer hohen Luftfeuchtigkeit und bei einem hohen Druck zuverlässig betreibbar ist.

[0006]  Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.

[0007]  Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Sensor zum Messen einer Konzentration eines Analysefluids basierend auf einem Wärmeleitfähigkeitsprinzip bereitgestellt. Der Sensor weist mindestens ein auf einer Messmembran angeordnetes Analyseheizelement zum Erwärmen des Analysefluids und mindestens ein auf einer Referenzmembran angeordnetes Referenzheizelement zum Erwärmen mindestens eines Referenzgases auf.

[0008]  Die Messmembran und die Referenzmembran sind zueinander benachbart zwischen einem Sensorsubstrat und einem Kappensubstrat angeordnet, wobei die Messmembran in einem Messvolumen und die Referenzmembran in einem Referenzvolumen angeordnet sind.

[0009]  Die Messmembran und die Referenzmembran weisen jeweils mindestens eine Beschichtung auf, wobei die Messmembran durch mindestens eine Aussparung geöffnet ist. Vorzugsweise kann die Beschichtung die Membran zumindest bereichsweise bedecken und somit schützen. Insbesondere kann die Beschichtung die elektrischen Leitungen, wie beispielsweise die auf den Membranen angeordneten Heizelemente und/oder Messelemente, überdecken und somit die elektrisch leitfähige Bedampfung vor Korrosion, Oxidation und Alterungsprozessen schützen.

[0010]  Der Sensor kann beispielsweise aus drei übereinander gestapelten und durch Glasfrit oder alternativ über einen anodischen Bond oder wahlweise durch eine Klebung verbundenen waferförmigen Schichten bestehen. Die waferförmigen Schichten können ein Kappensubstrat, ein Sensorsubstrat und ein Sockelsubstrat umfassen. Darüber hinaus kann der Sensor auch weitere Schichten aufweisen, wobei das Kappensubstrat bzw. die waferförmige Kappenschicht optional ist. In dem Sensor ist eine Referenzkaverne bzw. ein Referenzvolumen sowie eine Messkaverne bzw. Messvolumen ausgebildet. Bei der Herstellung des Sensors kann eine Vielzahl von derartigen Sensorabschnitten hergestellt und durch einen Separationsschritt in eine Vielzahl von Sensoren unterteilt werden.

[0011]  Die Messmembran ist vorzugsweise in dem Messvolumen und die Referenzmembran in dem Referenzvolumen angeordnet. In jede Membran sind zum Durchführen von Konzentrationsmessungen Heizelemente integriert.

[0012]  Die Messvolumen und die Referenzvolumen sind vorzugsweise voneinander separiert, sodass ein Austausch von Fluiden oder von Feuchtigkeit unterbunden wird. Hierdurch kann der Sensor gleichzeitig als eine Barriere gegenüber unerwünschten Medien fungieren. Ein derartiges unerwünschtes Medium kann beispielsweise feuchte Luft aus Abgasen eines Brennstoffzellenfahrzeugs sein.

[0013]  Ändert sich beispielsweise ein Wärmestrom eines Analyseheizelements durch ein zugeführtes Analysefluid kann zwischen dem Analyseheizelement und dem Referenzheizelement ein Differenzsignal ermittelt werden. Das Analysefluid kann in einer gasförmigen oder flüssigen Form vorliegen. Durch die Beschichtung können das Analyseheizelement und das Referenzheizelement vor einem direkten Kontakt des Analysefluids geschützt und somit die Lebensdauer des Sensors verlängert werden.

[0014]  Da die Messmembran mindestens eine Aussparung aufweist, ist diese offen ausgeführt. Durch diese Maßnahme kann eine Erhöhung der Empfindlichkeit auf Messgrößen bzw. eine Erhöhung der Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen bewirkt werden. Insbesondere kann durch die Aussparung das Problem der Verformung der Messmembran bei von außen angelegten, sich vom Umgebungsdruck unterscheidenden Drücken, beseitigt werden. Derartige Umgebungsdrücke können beispielsweise 500 mbar in einem Schalldämpfer eines Abgasrohrs betragen. Des Weiteren können aufgrund der offen ausgestalteten Messmembran neue Anwendungsbereiche für den Sensor bereitgestellt werden, welche höhere Drücke von über 2 bar aufweisen. Hierdurch kann der Sensor auch in einem Brennstoffzellenfahrzeug, beispielsweise in einen Anodenpfad bei höherem Druck, eingesetzt werden. Des Weiteren kann der Sensor beispielsweise dazu verwendet werden, feuchtes Abgas oder H2 im Abgas eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder in unmittelbarer Nähe der Anode sowie Kathode im Zellenstack zu untersuchen. Der Einsatz einer offenen und beschichteten Messmembran ermöglicht somit eine hohe Druckstabilität und die Untersuchung von feuchten oder korrosiven Fluiden.

[0015]  Eine geöffnete Membran ist dahingehend zu deuten, dass mindestens ein Loch, eine Aussparung und dergleichen in der Membran angeordnet ist, und somit ein Fluidaustausch zwischen beiden Membranflächen möglich ist. Entsprechend kann bei einem geöffneten Volumen ein Fluidaustausch mit einer Umgebung oder einem beliebigen Reservoir erfolgen.

[0016]  Durch den Einsatz einer dünnen, beispielsweise nitridischen, Schutzschicht auf der Vorderseite und/oder Rückseite der Messmembran, kann eine Schädigung der Membran durch hohe Feuchte oder eine Veränderung bzw. Alterung des eingebetteten Heizelements/Heizwiderstands durch Einlagerung von Feuchte in darüber liegenden Schichten verhindert werden. Die Beschichtung kann in folgenden Herstellungsprozessen entweder für einen Glasfrit-Bond entfernt oder mit einer dünnen Oxidschicht versehen werden. Das Analyseheizelement und das Referenzheizelement zur Konzentrationsmessung können als kombinierte Heiz-/Sensorelemente ausgeführt sein. Alternativ können neben Analyseheizelementen auch Analysemesselemente und neben den Referenzheizelementen Referenzmesselemente vorgesehen sein.

[0017]  Die Öffnung bzw. Aussparung der Messmembran und/oder der Referenzmembran kann durch ein oder mehrere Löcher, beispielsweise mittels Nassätzverfahren oder Plasmaätzverfahren, hergestellt werden. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit auf das Analysefluid kann hierbei durch eine beidseitige Umspülung der Messmembran durch das Analysefluid zurückgeführt werden. Darüber hinaus dient die Aussparung in der Messmembran einer Entkopplung der Messmembran vom Umgebungsdruck. Je nach Ausgestaltung des Sensors kann das Kappensubstrat das Messvolumen verschließen, um das Messvolumen vom Referenzvolumen zu trennen.

[0018]  Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das mindestens eine Analyseheizelement und das mindestens eine Referenzheizelement mit einer sensorexternen oder sensorinternen Auswerteelektronik zum Messen einer durch das Analysefluid verursachten Widerstandsänderung des Analyseheizelementes relativ zu einem elektrischen Widerstand des Referenzheizelementes verbindbar. Durch diese Maßnahme kann die Anzahl von elektrisch leitfähigen Bahnen und Heizelementen auf dem Sensor minimiert werden. Insbesondere können Leiterbahnkreuzungen auf dem Sensor vermieden oder minimiert werden. Die notwendigen Leiterbahnkreuzungen können in der Auswerteschaltung bzw. der Auswerteelektronik durchgeführt werden, welche die dafür benötigten Ebenen üblicherweise enthält.

[0019]  Die Auswerteelektronik kann als eine komplexe Schaltungstechnik, wie beispielsweise eine ASIC oder ein µKontroller, ausgeführt sein. Hierdurch ist es möglich die Leiterbahnen auf dem Messchip bzw. dem Sensor symmetrisch zu gestalten, wodurch Herstellungstoleranzen verringert werden. Darüber hinaus können durch eine verringerte Anzahl an Leiterbahnen auf dem Sensor Belichtungsmasken und Prozessschritte auf dem Sensor eingespart werden.

[0020]  Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Beschichtung als eine einseitige, oder beidseitige Beschichtung ausgestaltet. Die Beschichtung kann somit die gesamte Messmembran umspannen. Insbesondere kann die Beschichtung auch die mindestens eine in die Messmembran eingebrachte Aussparung umfassen, sodass die Messmembran vollständig geschützt wird. Hierdurch kann eine Schädigung der Messmembran durch hohe Feuchte oder eine Veränderung oder Alterung des eingebetteten Heizelements bzw. Heizwiderstands durch Einlagerung von Feuchte in darüber liegenden Schichten verhindern werden.

[0021]  Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Referenzvolumen vorderseitig und/oder rückseitig geöffnet oder das Referenzvolumen ist als ein geschlossenes Volumen ausgeführt. Bevorzugterweise ist die Referenzmembran als eine geschlossene oder als eine offene bzw. mit einer oder mehrerer Aussparungen versehene Membran geformt. Durch diese Maßnahme kann die Referenzmembran an unterschiedliche Anwendungsbereiche angepasst werden.

[0022]  Nach einer weiteren Ausführungsform weist das Messvolumen mindestens einen vorderseitig, rückseitig und/oder seitlich angeschlossenen Fluidkanal auf, wobei der Fluidkanal in ein Kappensubstrat, ein Sockelsubstrat und/oder in das Sensorsubstrat eingebracht ist. Hierdurch kann das Analysefluid auf unterschiedlichen Wegen durch den Fluidkanal in das Messvolumen geführt werden. Insbesondere kann der Fluidkanal derart geformt sein, dass eine besonders schnelle oder kosteneffiziente Herstellung des Sensors ermöglicht wird.

[0023]  Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Beschichtung mindestens ein Nitrid, Silizium, Oxid, Kunststoff und/oder Keramik auf. Die Messmembran kann beispielsweise als Oxid-Nitrid-Oxid Membran ausgeführt sein, alternativ oder zusätzlich kann die Messmembran auch als eine Oxid-Membran ausgestaltet sein. Die aufgelisteten Stoffe können hierbei einzeln oder als Kombination eingesetzt werden. Des Weiteren sind als Beschichtungen dünne Siliziumschichten, oxidische, nitridische oder gemischte Schichten verwendbar. Als weitere alternative oder zusätzliche Materialien für die Beschichtung sind auch dünne Kunststofffolien oder Kunststoffbeschichtungen oder keramische Materialien möglich.

[0024]  Nach einer weiteren Ausführungsform weist das Messvolumen und die Messmembran und/oder das Referenzvolumen und die Referenzmembran einen rechteckigen, quadratischen oder kreisförmigen Querschnitt auf. Durch diese Maßnahme können das Messvolumen und das Referenzvolumen durch unterschiedliche Herstellungsverfahren ausgebildet werden. Insbesondere kann eine Anpassung der Form des Referenzvolumens und des Messvolumens an eine äußere Abmessung des Sensors erfolgen. Die Messmembran kann hierbei eine dem Querschnitt des Messvolumens korrespondierende Form aufweisen. Die Referenzmembran kann ebenfalls eine dem Querschnitt des Referenzvolumens korrespondierende Form aufweisen.

[0025]  Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind das Messvolumen und das Referenzvolumen gleich groß oder unterschiedlich groß dimensioniert. Wird das Referenzvolumen mit anderen Gasen oder Drücken befüllt als das Messvolumen, ist es für ein hohe Genauigkeit vorteilhaft die thermische Leitfähigkeit anzugleichen. Beispielsweise können das Referenzvolumen und das Messvolumen derart relativ zueinander dimensioniert werden, dass das Messvolumen bei 0% H2-Gehalt die gleiche thermische Leitfähigkeit aufweist wie das Referenzvolumen. Dadurch beträgt eine Differenzbrückenspannung bzw. das Messsignal im Wesentlichen 0 V oder ein anderes festgelegtes Offset, wodurch die Auswerteelektronik erst bei einem signifikanten H2-Gehalt ein Signal detektiert. Die Dimension des Messvolumens und des Referenzvolumens kann durch eine Höhe der jeweiligen Volumen und/oder durch unterschiedlich große Kavernengrößen eingestellt werden.

[0026]  Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Sensor mindestens zwei Analyseheizelemente und mindestens zwei Referenzheizelemente auf, wobei die Analyseheizelemente und Referenzheizelemente als Heizelemente und/oder Messelemente für eine Widerstandsänderung verwendbar sind. Auf der Referenzmembran und der Messmembran können vorzugsweise jeweils mindestens zwei Widerstände angeordnet sein. Diese Widerstände sind in Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung miteinander verbunden. Hierbei können zwei Referenzheizelemente und zwei Analyseheizelemente gleichzeitig als Messwiderstände fungieren. Für die Brückenschaltung können ein erster und ein vierter Messwiderstand auf der Messmembran und ein zweiter und ein dritter Messwiderstand auf der Referenzmembran angeordnet sein. Im Bereich der Mittenspannungsabgriffe zwischen dem ersten und dem dritten Messwiderstand bzw. zwischen dem zweiten und dem vierten Messwiderstand ist eine besonders sensitive Messungen von Änderungen der Widerstandswerte möglich. An diesen Positionen kann das Messsignal bereitgestellt werden. Die Messwiderstände können sowohl als Heizelemente als auch als Messelemente dienen. Eine Ausführung, in welcher die Heizelemente und die Messelemente getrennt sind, ist ebenfalls möglich.

[0027]  Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel trennt die geschlossene Referenzmembran ein in das Kappensubstrat eingebrachtes erstes Referenzvolumen von einem in das Sensorsubstrat eingebrachten zweiten Referenzvolumen, wobei das erste Referenzvolumen und das zweite Referenzvolumen mit einem gleichen Fluid oder mit unterschiedlichen Fluiden gefüllt sind. Durch diese Maßnahme können unterschiedliche miteinander nicht vermischbare Fluide in Form von mehreren Referenzvolumen mit der Referenzmembran verbunden werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Verringerung des Variablenfeldes, beispielsweise durch ein H2-Gas in einem kappenseitigen Volumen und ein O2-Gas in einem sensorsubstratseitigen oder sockelseitigen Volumen realisiert werden. Das Referenzvolumen kann darüber hinaus auch in mehr als zwei Volumen aufgeteilt werden.

[0028]  Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors bereitgestellt. In einem Schritt wird eine waferförmige Sensorschicht bereitgestellt. Anschließend wird eine Membranschicht auf die Sensorschicht abgeschieden. Es sind hier weitere Zwischenschichten zur Erhöhung der Verbindungsqualität und/oder zum Reduzieren eines Wärmetransfers zwischen der Membranschicht und der Sensorschicht möglich, sowie der Bereitstellung einer mechanisch stabilen Stützstruktur für die Heizelemente.

[0029]  In einem weiteren Schritt werden Aussparungen durch Materialabtrag in die Membranschicht eingebracht. Es werden darüber hinaus Analyseheizelemente und Referenzheizelemente in Form von Metallbeschichtungen auf die Membranschicht aufgebracht und durch eine geeignete Methode strukturiert. Anschließend wird mindestens eine Beschichtung zum Schutz der Analyseheizelemente und Referenzheizelemente und der Membranschicht aufgebracht. Bei einer beidseitigen aufgebrachten Beschichtung kann vor einem Applizieren der Membranschicht in einem Zwischenschritt eine sockelseitige Beschichtung abgeschieden werden.

[0030]  Anschließend wird eine geschlossene oder mit Öffnungen versehene Kappenschicht auf der Membranschicht oder auf der Beschichtung der Membranschicht angeordnet. Die Membranschicht wird zum Ausbilden von Referenzvolumen und Messvolumen durch Materialabtrag der Sensorschicht freigelegt. Vorzugsweise kann dieser Schritt rückseitig bzw. sockelseitig durchgeführt werden.

[0031]  In einem weiteren Schritt wird auf der Sensorschicht rückseitig eine geschlossene oder zumindest bereichsweise geöffnete Sockelschicht angeordnet. Die Sockelschicht kann nach dem Verbindungsschritt mit der Sensorschicht geöffnet oder bereichsweise freigelegt werden. Durch diesen Schritt wird eine Waferanordnung mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Sensoren ausgebildet. Durch einen Separierungsvorgang kann eine Vielzahl von einzelnen Sensoren hergestellt werden.

[0032]  Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem geöffneten Referenzvolumen,

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem geschlossenen Referenzvolumen,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform mit zwei voneinander getrennten Referenzvolumen,

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer vierten Ausführungsform mit einem seitlich verlaufenden Fluidkanal,

Fig. 5 eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer fünften Ausführungsform mit einem zweiseitig geöffneten Messvolumen,

Fig. 6-11 einen schematischen Ablauf zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen des Sensors,

Fig. 12 eine Draufsicht auf die elektrischen Leiterbahnen des Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und

Fig. 13 eine Draufsicht auf die elektrischen Leiterbahnen des Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer verbundenen Auswertelektronik.

[0033]  Die Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem geöffneten Referenzvolumen 2. Der Sensor 1 weist neben dem Referenzvolumen 2 ein Messvolumen 4 auf. In dem Referenzvolumen 2 ist eine Referenzmembran 6 angeordnet. Das Messvolumen 4 weist eine Messmembran 8 auf. Insbesondere wird das Referenzvolumen 2 und das Messvolumen 4 durch die Referenzmembran 6 und die Messmembran 8 bereichsweise aufgeteilt, sowie durch das Kappensubstart 18 und Sockelsubstrat 20.

[0034]  Auf der Referenzmembran 6 und der Messmembran 8 sind elektrisch leitfähige Strukturen 10 eingebracht, welche durch elektrische Anschlüsse 11 bzw. Bond Pads elektrisch kontaktiert werden können. Die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 sind hier als Referenzheizelemente 12 zum Erwärmen von mindestens einem Referenzfluid und als Analyseheizelemente 14 zum Erwärmen eines Analysefluids ausgestaltet, welche in der Fig. 12 und der Fig. 13 dargestellt sind. Die Referenzheizelemente 12 und die Analyseheizelemente 14 dienen gleichzeitig zum Erwärmen und zum Messen von Widerstandsänderungen bzw. Widerstandsunterschieden.

[0035]  Das Referenzvolumen 2 und das Messvolumen 4 sind in ein Sensorsubstrat 16 in Form von Kavitäten hineingebracht und erstrecken sich bis in ein Kappensubstrat 18 hinein. An einer dem Kappensubstrat 18 entgegengesetzten Seite ist an dem Sensorsubstrat 16 ein Sockelsubstrat 20 angeordnet. Das Kappensubstrat 18 wird in vertikaler Richtung V durch die Membranen 6, 8 von dem Sensorsubstrat 16 beabstandet.

[0036]  Die Substrate 16, 18, 20 sind flächig ausgedehnt und umschließen zumindest bereichsweise das Referenzvolumen 2 und das Messvolumen 4. Das Referenzvolumen 2 wird sockelseitig durch das Sockelsubstrat 20 verschlossen. Das Messvolumen 4 ist kappenseitig durch das Kappensubstrat 18 verschlossen.

[0037]  In das Sockelsubstrat 20 sind Fluidkanäle 24 eingebracht, welche zum Zuführen von einem Analysefluid in das Messvolumen 4 dienen. Der Pfeil 26 veranschaulicht den Zufluss des Analysefluids.

[0038]  Die Messmembran 8 und die Referenzmembran 6 weisen eine Beschichtung 28 auf, welche die elektrisch leitenden Strukturen 10 kappenseitig bedeckt und diese somit schützt. Die Beschichtung 28 kann beispielsweise aus einem Nitrid bestehen. Des Weiteren weist jede Membran 6, 8 jeweils mindestens eine Aussparung 30 auf, durch welche ein Fluid die Membran 6, 8 ohne mechanische Beanspruchung passieren kann.

[0039]  Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messvolumen 4 im Bereich des Kappensubstrats 18 verschlossen. Das Referenzvolumen 2 ist hierbei mit einer Öffnung 22 versehen, durch welche das Referenzvolumen 2 mit einer Umgebung U einen Gasaustausch vollführen kann.

[0040]  Durch das kappenseitig geschlossene Messvolumen 4 kann ein Analysegas, wie beispielsweise H2 durch die Fluidkanäle 24 in das Messvolumen 4 strömen und dort zumindest temporär verbleiben. Das Analysegas kann auch Wasserdampf oder Luft mit einer Luftfeuchtigkeit enthalten. Alternativ kann das Analysefluid in flüssiger Form bzw. aus einer Flüssigkeit bestehen. Es kann auch die Konzentration von jedem anderen wärmeleitenden Gas, wie beispielsweise. O2, CO2, He, feuchter Luft und dergleichen, gemessen werden. Das Referenzvolumen 2 ist zu einem nicht dargestellten Gehäuse bzw. einer Elektronik geöffnet und Umgebungseinflüssen ausgesetzt.

[0041]  In der Fig. 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einem geschlossenen Referenzvolumen 2 gezeigt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel, ist das Referenzvolumen 2 mit einem Referenzgas gefüllt, welches keinen Austausch mit einer Umgebung U erfährt.

[0042]  Durch ein geschlossenes Referenzvolumen 2 können Schwankungen in der Umgebungsluft wie beispielsweise Feuchteänderungen oder Einflüsse durch Störgase aus der Umgebung vermieden werden. Das Referenzvolumen 2 kann zuvor beispielsweise beim Anfügen des Sockelsubstrats 20 oder des Kappensubstrats 18 bei zum Beispiel einem Bond mit Glasfrit 32 mit einem geeigneten Referenzfluid geflutet werden. Ein Referenzfluid kann beispielsweise synthetische Luft, N2, O2, CO2, Methan und dergleichen sein.

[0043]  Weitere Vorteile neben der Erweiterung des Anwendungsbereichs des Sensors 1 für Bereiche mit hohen Drücken und/oder Druckschwankungen liegen in einer vereinfachten Handhabung während der Herstellung. Bei typischen Halbleiterprozessen können sich Ablagerung oder Rückstände auf den Membranen 6, 8 bilden, welche beispielsweise aus Asche beim Lackstrippen, Reinigungslösungen oder Schlamm beim Sägen der Waferanordnungen bestehen. Ein geschlossenes Kappensubstrat 18 kann derartige Ablagerungen verhindern.

[0044]  Die Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer dritten Ausführungsform mit zwei voneinander getrennten Referenzvolumen 2, 3. Hierzu ist die Referenzmembran 6 geschlossen bzw. ohne eine Aussparung 30 ausgestaltet, wodurch in vertikaler Richtung V oberhalb und unterhalb der Referenzmembran 6 unterschiedliche Fluide einbringbar sind.

[0045]  Es können beispielsweise unterschiedliche Gase in die Referenzvolumen 2, 3 eingebracht werden, die miteinander nicht mischbar sind und eine Verringerung eines Variablenfeldes ermöglichen. Beispielsweise kann in ein erstes kappenseitiges Referenzvolumen 2 H2 Gas und in ein zweites sockelseitiges Referenzvolumen 3 O2 Gas hineingeleitet werden. Ebenfalls ist ein Anlegen weiterer gasgefüllter Referenzkavernen möglich.

[0046]  In der Fig. 4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer vierten Ausführungsform mit einem seitlich verlaufenden Fluidkanal 24 gezeigt. Der Fluidkanal erstreckt sich hierbei nicht in vertikaler Richtung V durch das Sockelsubstrat 20, sondern seitlich bzw. quer zur vertikalen Richtung V entlang einer Grenze zwischen dem Sockelsubstrat 20 und dem Sensorsubstrat 16 bis zum Messvolumen 4.

[0047]  Die Fig. 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensors 1 gemäß einer fünften Ausführungsform mit einem zweiseitig geöffneten Messvolumen 4. Hierbei ist eine Zuführung eines Analysefluids kappenseitig und sockelseitig möglich. Es sind Fluidkanäle 23 vorgesehen, welche sich durch das Kappensubstrat 18 bis in das Messvolumen 4 hinein erstrecken. Sockelseitig sind ebenfalls Fluidkanäle 24 in dem Sockelsubstrat 20 angeordnet, durch welche das Analysefluid in das Messvolumen 4 hineingelangen kann. Durch eine derartige Anordnung kann das Analysefluid durch das Messvolumen 4 kontinuierlich hindurchfließen.

[0048]  In der Fig. 6 bis Fig. 11 ist ein schematischer Ablauf zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Herstellen des Sensors 1 dargestellt. Die Fig. 6 bis Fig. 11 zeigen Ausschnitte aus einer waferförmigen Anordnung, welche in einem letzten Schritt zu mehreren Sensoren 1 separiert wird. Der Separierungsschritt wird hierbei nicht näher beschrieben oder dargestellt.

[0049]  In der Fig. 6 ist ein Schritt dargestellt, bei dem eine waferförmige Sensorschicht 34 bereitgestellt wird. Die Sensorschicht 34 kann beispielsweise mit einem Dielektrikum 36 beschichtet sein. Das Dielektrikum kann als eine erste Membranschicht ausgestaltet sein.

[0050]  In einem weiteren Schritt, welcher in der Fig. 7 gezeigt ist, werden die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 auf das Dielektrikum 36 aufgebracht. Dieser Schritt kann beispielsweise durch Sputtern von Platin oder einem anderen Metall erfolgen. Danach kann eine Strukturierung durch ein lithographisches Verfahren in Kombination mit einem Ätzverfähren durchgeführt werden.

[0051]  Durch das Applizieren von elektrisch leitfähigen Strukturen 10 können Analyseheizelemente 14 und Referenzheizelemente 12 in Form von Metallbeschichtungen auf die Membranschicht 36 aufgebracht werden

[0052]  Anschließend können Aussparungen 30 in die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 und die Membranschicht 36 eingebracht werden. In einem weiteren Schritt erfolgt ein Abscheiden einer Beschichtung 28, welche als Schutz für die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 dient. Alternativ oder zusätzlich können die Aussparungen 30 in die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 auch nach einem Aufbringen der Beschichtung 28 bzw. durch die Beschichtung 28 hindurch erfolgen.
Beispielsweise kann die Beschichtung 28 aus einem Oxid oder einem Nitrid oder beidem bestehen. In einem weiteren Schritt können Druckausgleichsöffnungen bzw. Aussparungen 30 ausgebildet werden. Die Aussparungen 30 können beispielsweise durch einen Gasphasen-Ätzprozess oder durch einen Plasma-Ätzprozess in die Membranschicht 36, die Beschichtung 28 und die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 eingebracht werden.

[0053]  Die Fig. 8 zeigt einen weiteren Schritt, bei dem eine geschlossene oder mit Öffnungen 22, 23 versehene Kappenschicht 38 auf der Beschichtung 28 der Membranschicht 36 angeordnet wird. Durch das Applizieren von Glasfrit 32 kann die Haftung zwischen der Kappenschicht 38 und der Beschichtung 28 ermöglicht werden. Die Kappenschicht 38 kann bereits Kavernen aufweisen, welche zum Ausbilden von elektrischen Anschlüssen 11, Referenzvolumen 2 und Messvolumen 4 notwendig sind.

[0054]  Des Weiteren wird auf dem Sensorsubstrat 34 noch eine Haftvermittlerschicht 35 aufgebracht, um den Fügeprozess des Sockelsubstrats 34 zu verbessern. Diese Haftvermittlerschicht 35 kann beispielsweise aus einem Oxid und/oder aus einer Kombination aus Oxid, Nitrid oder Metalloxiden bestehen. Je nach Ausgestaltung des Sensors 1 kann diese Haftvermittlerschicht 35 ebenfalls strukturiert werden.

[0055]  In der Fig. 9 ist ein weiterer Schritt zum Herstellen des Sensors 1 gezeigt. Die Membranschicht 36 wird zum Ausbilden von Referenzvolumen 2 und Messvolumen 4 durch Materialabtrag der Sensorschicht freigelegt. Der Materialabtrag kann hierbei durch einen oder mehrere Schritte erfolgen. Beispielsweise kann der Materialabtrag durch Schleifen bzw. ganzflächiges Abdünnen und/oder durch ein Ätzverfahren erfolgen. Das sockelseitige Freilegen der Membranschicht 36 kann beispielsweise durch ein Trench-Ätz-Verfahren erfolgen.

[0056]  Anschließend wird auf der Sensorschicht 34 eine geschlossene oder zumindest bereichsweise geöffnete Sockelschicht 40 angeordnet. Dieser Schritt ist in der Fig. 10 veranschaulicht. Das Einbringen von Fluidkanälen 24 in die Sockelschicht 40 ist in der Fig. 11 gezeigt, wobei die Kappenschicht 38 und die Sockelschicht 40 auf ein Endmaß geschliffen werden.

[0057]  Durch einen Separierungsvorgang wird eine Vielzahl von Sensoren 1 ausgebildet.

[0058]  Alternativ oder zusätzlich zum Einbringen der Fluidkanäle 24 in die Sockelschicht 40 können auch Öffnungen 22, 23 in der Kappenschicht 38 ausgebildet werden. Des Weiteren ist ein Einbringen der Öffnungen 22, 23 in der Kappenschicht 38 durch die Aussparungen 30 möglich.

[0059]  Durch das Verfahren sind Tiefen aller Kavernen bzw. Volumen 2, 4 im Mikrometerbereich kontrollierbar. Der Wärmeübertrag kann somit durch eine gezielt flache oder besonders tiefe Kaverne in dem Kappensubstrat 18 oder Sensorsubstrat 16 und durch die Form der Volumen 2, 4 gesteuert werden. Beispielsweise kann die Form der Volumen 2, 4 symmetrisch oder asymmetrisch ausgestaltet sein. Beispielsweise können Tiefen im Bereich von 6 µm - 600 µm erzeugt werden.

[0060]  Die Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf die elektrisch leitfähigen Strukturen 10, welche als elektrischen Leiterbahnen des Sensors 1 ausgeführt sind. Die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 bilden hierbei eine kosteneffiziente Verdrahtungsform dar, da diese nur eine Leiterbahnkreuzung 42 auf dem Sensor 1 aufweisen.

[0061]  Die Referenzheizelemente 12 und die Analyseheizelemente 14 dienen gleichzeitig zum Erwärmen und zum Messen von Widerstandsänderungen bzw. Widerstandsu ntersch ieden.

[0062]  Auf der Referenzmembran 6 und der Messmembran 8 befinden sind jeweils zwei Widerstände R1-R4 durch die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 geformt. Diese Widerstände R1-R4 sind in Form einer Wheatstone'schen Brückenschaltung miteinander verbunden. Hierbei befinden sich die Widerstände R1 und R4 auf der Messmembran 8 und die Widerstände R2 und R3 auf der Referenzmembran 6.

[0063]  Eine Differenz von Mittenspannungsabgriffen zwischen den Widerständen R1 und R3 bzw. zwischen R2 und R4 ist sensitiv auf Änderungen der Widerstandswerte und kann somit als Messsignal benutzt werden.

[0064]  Die Widerstände R1-R4 dienen sowohl als Heiz-, als auch als Messelemente. Eine Ausführung, in der Heiz- und Messelemente getrennt sind, ist ebenfalls möglich.

[0065]  In der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform sind die Membranen 6, 8 bzw. die entsprechenden Volumen 2, 4 gleich groß ausgeführt und weisen einen quadratförmigen Querschnitt auf.

[0066]  Die Fig. 13 zeigt eine Draufsicht auf die elektrisch leitfähigen Strukturen 10 des Sensors 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer verbundenen Auswertelektronik 44. Im Unterschied zum in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel, sind hier keine Leiterbahnkreuzung 42 auf dem Sensor 1 vorgesehen. Die Ausbildung von Leiterbahnkreuzung 42 zum Realisieren einer Wheatstone'schen Brückenschaltung wird auf die Auswerteelektronik 44 verlagert. Dabei können die Bondpads bzw. die elektrischen Anschlüsse 11 an einer anderen Kante des Sensors 1 angebracht sein. Beispielsweise können die elektrischen Anschlüsse 11 um 90° gedreht sein, um einen späteren Einbau des Sensors zu vereinfachen oder zu optimieren.

[0067]  Des Weiteren ist das Referenzvolumen 2 größer als das Messvolumen 4 ausgestaltet. Dies wird durch die gegenüber der Messmembran 8 größer ausgeführte Referenzmembran 6 verdeutlicht.

[0068]  Alternativ können noch zusätzliche Mess- oder Heizwiderstände vorgesehen sein, um beispielsweise die Umgebungstemperatur zu messen oder den Sensor 1 gleichmäßig bzw. konstant thermisch zu konditionieren.